Еволюція антарктичної озонової діри1957–2001 рокиОзонова діра над Антарктидою 2006 рік
Озонова діра — локальне падіння концентраціїозону встратосфері на 10—40 %. Пов'язано це з дієюфреонів, зменшенням кількості кисню при запусках космічних кораблів та польотами реактивних літаків. Чітко виявляється при надмірно низьких температурах. Загальноприйнята в науковому середовищі теорія, за якою в другій половиніXX століття зростання дії антропогенного чинника у вигляді виділенняхлор- ібромвміснихфреонів (CFC) призвело до значного зменшення озонового шару[1]. Згідно з іншою гіпотезою, процес утворення «озонових дір» значною мірою є природним і не пов'язаний винятково зі шкідливою дією людської цивілізації[2].
Озонова діра над Антарктидою у 2023 році, як повідомляється в матеріаліLive Science, стала однією з найбільших за своїм розміром за весь час спостереження[7][8] і продовжує поглиблюватися[9]. В той же час, надПівнічною півкулею Землі вАрктиці утворилася інша озонова діра, але значно менших розмірів за антарктичну. Проте, вже в березні 2024 року, дослідники зафіксували рекордно високий рівень озону в Арктиці, що стало обнадійливим знаком для боротьби з кліматичними змінами[10].
Озон витрачається в реакціях фотолізу і взаємодії з атомарним киснем: До зменшення концентраціїозону ватмосфері веде сукупність чинників, головним з яких є руйнування молекул озону в реакціях з різними речовинами антропогенного і природного походження, відсутність сонячного випромінювання протягомполярної зими, особливо стійкий полярний вихор, який перешкоджає проникненню озону з приполярних широт, і утворенняполярних стратосферних хмар (ПСХ), поверхню частинок якого каталізують реакції розпаду озону. Ці чинники особливо характерні дляАнтарктики, вАрктиці полярний вихор набагато слабший: через відсутність континентальної поверхні температура на декілька градусів вища, ніж в Антарктиці, а ПСХ менш поширені, до того ж мають тенденцію до розпаду на початку осені.Молекули озону (O3) хімічно дуже активні і можуть реагувати з багатьма неорганічними та органічними сполуками. Основними речовинами, що руйнують молекулиозону, є:
На відміну відгідрофторфреонів (HFC), які розщеплюються до атомівфтору, які, у свою чергу, швидко реагують зводою (H2O) утворюючи стабільнийфтороводень (H2F2). Таким чином,фтор (F) не бере участі в реакціях розпаду O3.Йод також не руйнує стратосферний озон, оскільки йодовмісні органічні речовини майже повністю витрачаються ще втропосфері.
Залежно від ланцюга реакцій, окрім механізму Чепмана (кисневий цикл Ox), виокремлюють ще три цикли руйнування озону: галогеновий, азотний, водневий. Діяльність людини збільшилагалогенову частку розкладузахисного шару Землі. Частка розкладу озону залежно від циклу руйнування[11]:
Оксиди азоту грають важливу роль в реакціях руйнування озону в середній стратосфері. Не зважаючи на те, що азоту в атмосфері більше, ніж будь-якого іншого газу, утворення його оксидів безпосередньо з молекулярного азоту замале, оскількимолекула N2 дуже стабільна, фактично інертна. Для її розпаду потрібно багато енергії, наприклад розрядблискавки або дужежорстке випромінювання,сонячні протони абогалактичне випромінювання. В стратосфері цього немає, тому основним джерелом оксидів озота (NOx) єзакис азоту (N2O), який утворюється на поверхні Землі і в океанах головним чином результатом діяльності бактерії. Людина теж вносить свій внесок — третина від всього закису азоту. Головною реакцією, за якою N2O перетворюється в NOx є наступна:
• N2O + O(1D) → NO + NO
Вона може протікати тільки вдень, тільки за наявностіСонця. ПотімNO вступає в реакцію зозоном, водночас руйнуючи його, що приводить до утворення іншого оксиду азоту,NO2:
• О3 + NO → NO2 + О2
Ця реакція може протікати і вночі, тому концентраціядвоокису азоту росте в темний час доби, оскільки вдень вона перетворюється назад по реакціях:
• NO2 + О → NO + О2
• NO2 + hν → NO + О
Третій оксид азоту, вже з трьома атомамикисню в молекулі, який знову таки реагує зозоном:
Тому знову таки його вночі більше, ніж вдень. Таким чином, оксиди азоту реагуючи з озоном збільшують число атомів кисню в своїх молекулах, а потім втрачають їх в реакціях з атомарним киснем або при фотолізі. Сумарно це приводить до загибелі озону. Процес цей ланцюговий і циклічний, оксиди азоту в ньому можуть розглядатися яккаталізатори.
Іншою важливою родиною речовин, що руйнують озон, єзамісники OH- і HO23+, об'єднувані загальною формулою HOx. Їх можна розглядати якоксидиводню. Проте на відміну від звичайних оксидів вони дуже реакційнопотентні (не можуть існувати як речовина, оскільки володіють неподіленоюелектронною парою, тобто єзамісниками). Якщо два такі замісники зустрінуться разом, то вони прореагують один з одним, рекомбінують, утворюючи зовсім іншу речовину, наприклад два HO- замісники дадутьперекис водню (H2O2). Основним джерелом утворення HOx є реакціяводяної пари з сінглетним атомомкисню:
• Н2O + О(1D) → OH + OH
Ця реакція дуже схожа на реакцію в якійзакис азоту N2O, реагуючи теж з сінглетним киснем дає дві молекули NO. Важлива реакція зметаном:
• СН4 + О(1D) → СН3 + OH
Аналогічні реакції:
• ОН + О3 → НО2 + О2
• НО2 + О → ОН + О2
• НО2 + О3 → ОН + 2О2
В них гинуть дві молекули озону і регенерується OH- замісник, цикл замикається. OH- далі знову вступає в реакцію з озоном. Повний хімічний механізм складається з сотень реакцій.
Ослаблення озонового шару посилює потіксонячної радіації на землю і викликає у людей зростання числаракових утвореньшкіри. Також від підвищеного рівня випромінювання страждають рослини і тварини.
В Україні спостереження за станом озонового шару проводяться на чотирьох озонометричних станціях у Києві, Борисполі, Одесі, Львові (до 2014 року проводилось також наКара-Дагу в Криму). За даними цих спостережень, протягом останніх 10 років загальний вміст озону в атмосфері був значно нижчим від кліматичної норми (аналогічна картина спостерігалася для всієї північної півкулі Землі в межах широт 40—60°). Для виявлення озонових аномалій аналізується відхилення значень загального вмісту озону в одиницях стандартного відхилення а. Якщо ці відхилення становлять від — 2,0 а до — 2,5 а, то це свідчить про критичну ситуацію, а коли перевищують значення –2,5 а, то констатується озонова аномалія («діра»). Протягом 2000 р. озонових аномалій над Україною не спостерігалося, проте було зафіксовано кілька випадків зменшення вмісту озону до критичних значень[джерело?].
Хоча людством були вжиті заходи з обмеженню викидів хлор- і бромвміснихфреонів шляхом переходу на інші речовини, наприклад фторвмісніфреони (CFC)[12], процес відновленняозонового шару триватиме декілька десятиріч. Перш за все, це зумовлено величезним обсягом вже накопичених в атмосфері фреонів, які мають час життя десятки і навіть сотні років. Тому затягування озонової діри над Антарктидою не варто чекати раніше2048 року[13], а більш точно, згідно сподівань ООН[14]:
Існує декілька поширенихміфів стосовно утворення озонових дір. Незважаючи на свою ненауковість, вони почасти з'являються в ЗМІ[15] — іноді завдяки непоінформованості, іноді підтримувані прихильникамитеорій змов. Нижче перераховано деякі з них.
Це твердження справедливе для середніх і високих широт. У високих широтах (де виникають озонові діри) хлорний цикл відповідальний лише за 15—25 % втратозону встратосфері. Необхідно відзначити, що 80 %хлору (Cl) має антропогенне походження[16]. Тобто втручання людини збільшує внесок хлорного циклу. У разі збереження тенденції щодо збільшення виробництва фреонів, яка була до вступу в діюМонреальського протоколу) (зростання 10 % на рік)2050 року 30 %—50 % загальних втрат озону обумовлювалось би дієюфреонів (CFC)[17]. До втручання людини процеси утворення озону і його руйнування перебували в рівновазі. Але фреони, що викидаються при людській діяльності, зсунули цю рівновагу у бік зменшення концентрації озону. Що ж до полярних озонових дір, то тут ситуація абсолютно інша. Механізм руйнування озону в принципі відрізняється від низьких широт, ключовою стадією є перетворення неактивних форм галогеновмісних речовин воксиди, яке протікає на поверхні частинокПСХ. В результаті практично весь озон руйнується в реакціях згалогенами[18]:
Іноді стверджується, що оскільки молекули фреонів набагато важчі заазот (N2) ікисень (O2), то вони не можуть досягти стратосфери в значних кількостях. Проте атмосферні гази перемішуються повністю, а не розшаровуються або сортуються по вазі. Процеси вертикального переносу повітряних мас,конвекції ітурбулентності повністю перемішують атмосферу нижчетурбопаузи набагато швидше. Тому навіть такі важкі гази, якінертні абофреони (CFC), рівномірно розподіляються в атмосфері, досягаючи, зокрема, і стратосфери. Експериментальні вимірювання їх концентрацій в атмосфері підтверджують це, дивіться наприклад графік праворуч. Також вимірювання показують, що потрібно близько 5 років для того, щоб гази, що виділилися на поверхні Землі досягли стратосфери. Якби гази ватмосфері не перемішувалися, то такі важкі гази з її складу якаргон (Ar) івуглекислий газ (CO2) утворювали б на поверхні Землі шар в декілька десятків метрів товщиною, що зробило б її нежилою. На щастя це не так.Криптон (Kr) з атомарною масою 84, ігелій (He) з атомарною масою 4, мають одну і ту ж відносну концентрацію, що біля поверхні, що на висоті 100км. Звичайно, все вищенаведене вірне лише для газів, які порівняно стабільні, як фреони чи інертні. Речовини, які вступають в реакції, а також піддаються різному фізичному впливу, скажімо, розчиняються уводі, мають залежність концентрації від висоти.
Основні джерела галогенів природні, а не антропогенні
Є думка, що природні джерелагалогенів, наприкладвулкани абоокеани, більш значущі для процесу руйнування озону, ніж діяльність людини. Не ставлячи під сумнів внесок природних джерел в загальний баланс галогенів, необхідно відзначити, що в основному вони не досягають стратосфери з огляду на те, що є водорозчинними (в основному хлорид-йони (Cl-) іхлороводень (HCl)) і вимиваються з атмосфери, випадаючи у вигляді дощів на землю. Також природні з'єднання менш стійкі, ніж фреони, наприкладметилхлорид (CH3Cl) має атмосферний час життя всього порядка року, в порівнянні з десятками і сотнями років для фреонів. Тому їх внесок в руйнування стратосферного озону досить малий. Навіть рідкісне за своєю силою виверження вулканаПінатубо вчервні1991 року викликало падіння рівня озону не за рахунок галогенів, що вивільняються, а за рахунок утворення великої маси сірчанокислих аерозолів (SO42-), поверхня яких каталізувала реакції руйнування озону. На щастя, вже через три роки практично вся маса вулканічних аерозолів була видалена з атмосфери. Таким чином, виверження вулканів є порівняно короткостроковими чинниками дії наозоновий шар, на відміну від фреонів, які мають часи життя в десятки і сотні років[19].
Озонова діра повинна розташовуватися над джерелами фреонів
Багато хто не розуміє, чому озонова діра утворюється вАнтарктиці, у той час як основні викидифреонів відбуваються вПівнічній півкулі. Річ у тому, що фреони добре перемішані втропосфері істратосфері. З причини малої реакційної здатності вони практично не витрачаються в нижніх шарахатмосфери і мають термін життя в декілька років або навіть десятиріччя. Тому вони легко досягають верхніх шарів атмосфери. Антарктична «озонова діра» існує не постійно. Вона з'являється наприкінці зими — на початку весни. Причини, за якими озонова діра утворюються в Антарктиці, пов'язані з особливостями місцевогоклімату. Низькі температури антарктичної зими приводять до утворення полярного вихору.Повітря усередині цього вихору рухається здебільшого замкнутими траєкторіями навколоПівденного полюса. В цей час полярна область не освітлюєтьсяСонцем, і тамозон не утворюється. З настанням літа кількість озону збільшується і знову приходить до норми. Тобто коливання концентрації озону над Антарктикою — сезонні. Проте, якщо відстежити зміни усередненої протягом року концентрації озону і розміру озонової діри протягом останніх десятиріч, то є певна тенденція до падіння концентрації озону.
Це неправильно, бо рівень озону падає всюди. Це показують результати довготривалих вимірювань концентрації в різних точках планети.[20][21][22]Ви можете подивитися на графік зміни концентрації озону надАросою вШвейцарії праворуч.
↑Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2006 : [арх. 30 січня 2018 року] //World Meteorological Organization. — Дата звернення: 30 січня 2018 року. — Цитата: « These and other recent scientific findings strengthen the conclusion of the previous assessment that the weight of scientific evidence suggests that the observed middle- and high-latitude ozone losses are largely due to anthropogenic chlorine and bromine compounds. Ці та інші нещодавно одержані наукові дані укріпили висновок попередніх оцінок в тому, що перевага на користь наукових доказів свідчить про те, що втратаозону в середніх і високих широтах загалом обумовлена антропогеннимихлор- ібромвмісними сполуками (CFC)».
Корсак В. В., Коцаренко М. Я. Озонова діра — сигнал небезпеки. —К. : т-во «Знание», УРСР, 1990. — 48 с. — (Вдумливим, допитливим, кмітливим)
И. К. Ларин. Химия озонового слоя и жизнь на Земле // Химия и жизнь — XXI век. — 2000. — № 7. — С. 10-15.(рос.)
Andrew Dessler. The Chemistry and Physics of Stratospheric Ozone. Academic Press — 2000.(англ.)
Dotto, Lydia and Schiff, Harold. The Ozone War. Doubleday — 1978.ISBN 0-385-12927-0(англ.)
Roan, Sharon (1990). Ozone Crisis, the 15 Year Evolution of a Sudden Global Emergency. Wiley.ISBN 0-471-52823-4(англ.)
Cagin, Seth and Dray, Phillip. Between Earth and Sky: How CFCs Changed Our World and Endangered the Ozone Layer. Pantheon — 1993.ISBN 0-679-42052-5(англ.)
Benedick, Richard E. (1991). Ozone Diplomacy. Harvard University Press.ISBN 0-674-65001-8(англ.)
Litfin, Karen T. (1994). Ozone Discourses. Columbia University Press.ISBN 0-231-08137-5(англ.)
Eike Roth. «Globale Umweltprobleme — Ursachen und Lösungsansätze», Friedmann Verlag, München — 2004.ISBN 3-933431-31-X(нім.)
World Meteorological Organization, Scientific assessment of ozone depletion: 2002, Global Ozone Research and Monitoring Project — Report No. 47, 498pp., Geneva — 2003ISBN 92-807-2261-1(англ.)
Martin Dameris, Thomas Peter, Ulrich Schmidt, Reinhard Zellner. «Das Ozonloch und seine Ursachen». Chemie in unserer Zeit 41(3), S. 152—168 (2007),ISSN 0009-2851(нім.)
«Діра» озонова // Словник-довідник з екології : навч.-метод. посіб. / уклад. О. Г. Лановенко, О. О. Остапішина. — Херсон : ПП Вишемирський В. С., 2013. — С. 70.
.jpg)
